基于GPU加速的低轨卫星星座覆盖性能计算与分析.pdf

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1、硕士学位论文基于GPU加速的低轨卫星星座覆盖性能计算与分析CALCULATIONANDANALYSISOFCOVERAGEPERFORMANCEOFLEOSATELLITECONSTELLATIONSBASEDONGPUACCELERATION计天阳哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V474.2+1学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工学硕士学位论文基于GPU加速的低轨卫星星座覆盖性能计算与分析硕士研究生：计天阳导师：赵阳教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业

2、大学ClassifiedIndex:V474.2+1U.D.C.:621.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringCALCULATIONANDANALYSISOFCOVERAGEPERFORMANCEOFLEOSATELLITECONSTELLATIONSBASEDONGPUACCELERATIONCandidate：JiTianyangSupervisor：Prof.ZhaoYangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Aeronautica

3、landAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：DepartmentofAerospaceDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着我国航天事业与通信技术的发展，“一带一路”等国家建设发展策略的提出，对深海大洋、两极地区及“一带一路”等区域提供可靠的通信十分必要。此外，如SpaceX等国外前沿公司也在进行高速带宽互联网星座等低轨通信卫星星座项目，建设能够对全球

4、进行覆盖的低轨卫星星座通信系统将是我国航天事业发展的必经之路。因此，本文基于某低轨卫星星座与部署的多波束赋形天线，对星座的覆盖能力与各波束覆盖地区增益、载干比进行了相关研究，并利用GPU并行计算技术提高了仿真效率，对天线设计与星座论证工作具有重要意义。本文的主要内容为：首先，对本文涉及的时间系统与坐标系统进行介绍，分析了坐标系间变换关系。在从历元惯性系到地心地固系的坐标变换上，基于IAU2000天文参数建立了涉及岁差、章动、极移以及地球自转的变换矩阵。在此基础上，介绍了SGP4轨道模型与双行元的概念，对SGP4轨道模型加以实现并与商业软件STK进行了轨道位置与星

5、下点对比。结果表明轨道模型以及坐标变换具有极高精度。其次，介绍了GPU并行计算理论。将SGP4轨道模块化，基于CUDA计算平台设计了SGP4轨道并行计算流程。实现了SGP4轨道在GPU上的并行计算，并与CPU计算结果对比精度与运算效率。结果表明计算精度方面，CPU优于GPU，而计算效率方面，GPU在200颗星以上作为输入时，高于CPU。再次，联立指向矢量所在指向与地球椭球方程，建立了高精度星载天线指向算法，并进行受地球椭球形状影响下的精度分析。基于某低轨卫星星座与其部署的多波束天线，实现了波束主瓣形状的提取、覆盖增益的计算。并对高纬度地区，偶数轨道面的覆盖重叠情

6、况进行了想定与仿真。针对覆盖重叠计算结果，拟定了一种波束开关策略，并基于优化结果对天线构型设计提出了建议。最后，基于多波束天线本身，对单星下天线各波束主瓣内载干比进行了仿真。引入地球经纬度网格划分与反距离加权插值方法，设计了一种多星情况下，各频段在地面载干比的计算方法。通过单星与多星情况下的载干比特性对比，分析得出22个波束受干扰以及18个造成干扰的波束的现状，从而对干扰情况的优化提出建议。本文将卫星轨道计算、天线指向与多波束天线的增益、载干比、波束重叠计算结合，利用GPU并行计算技术加速了轨道仿真过程，实现了某低轨卫星星座多波束天线对地面覆盖特性的计算和分析，

7、对该类型天线的设计具有指导意义。关键词：低轨卫星星座；天线指向计算；波束覆盖增益；载干比；GPU并行计算I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofChina’saerospaceindustryandcommunicationstechnology,thedevelopmentofnationaldevelopmentstrategiessuchas“OneBeltandOneRoad”isnecessarytoprovidereliablecommunicationstothedeepocean,polarregi

8、ons,and“OneB